韋發(fā)彬，羅成輝

（佛山市恒力泰機械有限公司，佛山 528000）

1 前言

陶瓷液壓自動壓磚機（簡稱壓磚機，下同）的工作循環(huán)包括：動梁空程下降（充液階段）→低壓1→排氣1→低壓2（可選）→排氣2→高壓→動梁空程回程。在空程下降時，因為屬于無載荷但需要大量的油液填充活塞腔。為了節(jié)能，在此階段不能使用壓力油液填充，而是使用氣壓驅(qū)動上油箱的油液來填充動梁空程下降期間所形成的主油缸活塞腔容積。由于油液介質(zhì)的絕對壓力變化導致空程下降，充液通道及主油缸活塞腔容易產(chǎn)生氣穴，影響壓磚機的使用性能。

2 充液氣穴產(chǎn)生的原因

液壓油的氣泡大多來源與氣穴現(xiàn)象，氣穴產(chǎn)生的條件主要有以下幾個方面：

（1）當流體的絕對壓力低于相應(yīng)溫度的飽和蒸氣壓以下時，將產(chǎn)生氣泡。

（2）當流體壓力下降到空氣分離壓時，溶解在液壓油中的空氣將被分離出來，將產(chǎn)生氣穴。

液壓油空氣分離壓力平均值為：1.33～60 Pa，其飽和蒸氣壓比空氣分離壓低。故當油液的壓力低于空氣分離壓時，即使未低于飽和蒸氣壓也會發(fā)生氣穴效應(yīng)。

圖1 充液過程示意圖

如圖1所示，壓磚機在空程下降時，動梁（與主油缸剛性聯(lián)接，示意圖中未畫出）下降，油液從上油箱通過充液通道流入主油缸活塞腔，形成油液對主油缸活塞腔容積的填充。從充液過程看，動梁高位時上油箱的氣壓較高，可達到0.2～0.3 MPa；低位時，視上油箱油量而定，在0.1～0.15 MPa之間。在整個動梁下降過程中，上油箱氣壓表顯示值并沒有低于空氣分離壓最大平均值0.06 MPa。但是在動梁下降過程中，主油缸活塞腔以及充液通道內(nèi)的油壓變化情況是：正壓→負壓→正壓，負壓產(chǎn)生的時間段為動梁加速和高速運行段，后面的正壓時間段發(fā)生在的動梁減速段。負壓現(xiàn)象尤其在動梁下降速度極快或者主活塞面積較大時尤為明顯。

動梁加速和高速運動時，充液管道的壓力值變化其實是從上油箱氣壓向負壓的壓差傳遞的。當油液通過收縮斷面，流速升高，絕對壓力降低。絕對壓力為負壓時，已經(jīng)低于空氣分離壓力1.33～60 Pa，溶解在油液內(nèi)的空氣被分離出。

3 充液氣穴對壓磚性能的影響

由于結(jié)構(gòu)的原因，實際的充液通道由多個斷面截面積不等的通道組合而成，在上述的充液過程中，當流體由小截面通過擴大斷面時，流動面積膨脹，流速下降，而壓力再次回升，這導致壓力恢復增加使油液壓力高于蒸汽壓力，在低于分離壓力階段產(chǎn)生的氣泡被壓縮甚至破裂并凝結(jié)成液體。在動梁減速段，動梁的速度又快轉(zhuǎn)慢，油液的絕對壓力遞增，也會壓縮氣泡而發(fā)生氣蝕。充液階段在主油缸產(chǎn)生氣蝕現(xiàn)象，對壓磚機壓制磚坯的性能影響十分惡劣。會導致加壓緩慢，增加能耗并對液壓元器件造成損壞。

充液產(chǎn)生的氣穴，還會延續(xù)影響到充液后的壓制階段。充液結(jié)束后，在關(guān)閉充液閥開始壓制時，壓磚機的液壓系統(tǒng)必須耗費額外的能量壓縮充液階段產(chǎn)生的氣泡，并將稀松的油液壓實，然后才能在主油缸內(nèi)建立起壓力。而壓油所需能量與氣穴的程度成正比。

在充液階段產(chǎn)生的氣泡油流，加壓開始后氣泡所占據(jù)的空間形成真空，四周的壓力油液以高速流來填補真空。此過程發(fā)生在一瞬間，因此引發(fā)距離的局部液壓沖擊，在氣泡縮小凝結(jié)的地方，壓力和溫度急劇升高。這種壓力沖擊引起震動和噪聲。在低壓1階段再次發(fā)生氣蝕。

壓實油液除了增加能耗外，還會導致壓制磚坯的時間增長，此點會導致壓磚機生產(chǎn)效率的降低。譬如，低壓1開始壓制時的系統(tǒng)壓力是18 MPa，如果充液效果好，那么低壓1階段系統(tǒng)壓降0.3 MPa，耗時350 ms就完成主油缸最終壓力為2500 kN的壓制動作；反之，如果充液效果不好（氣穴現(xiàn)象嚴重），則在相同系統(tǒng)壓力情況下低壓1階段系統(tǒng)壓降可能達到1 MPa，壓制耗時600 ms才能完成主油缸最終壓力為2500 kN的壓制動作。

此外，由于壓油消耗額外的能耗，壓磚機的液壓泵在補充能量時也會耗費更多時間來復位系統(tǒng)壓力，此點也降低了生產(chǎn)效率。氣蝕對液壓元件、執(zhí)行器的損害極為嚴重，是液壓設(shè)備中應(yīng)該杜絕的現(xiàn)象。

4 如何減少氣穴現(xiàn)象的產(chǎn)生

實驗顯示，在降低速度以及減小空程下降行程時，可有效改善氣穴現(xiàn)象。

表1 相同壓制力的壓制耗時及加壓期間液壓系統(tǒng)的壓降情況

4.1 慢速運動對充液氣穴現(xiàn)象的改善

在動梁空程下降行程相同的情況下，動梁下降速度越慢，對充液過程的氣穴現(xiàn)象越有所改善。

表1顯示采用相同的空程下降行程，不同的下降速度后，在壓制階段壓制相同壓制力的壓制耗時以及加壓期間液壓系統(tǒng)的壓降情況。

表2 相同壓制力的壓制1耗時及加壓期間液壓系統(tǒng)的壓降情況

從表1中可以看出，下降速度越快，壓制相同壓制力所耗費的時間越長，系統(tǒng)壓降越大。

4.2 小行程對充液氣穴現(xiàn)象的改善

表2顯示采用相同的空程下降速度，采用不同的下降行程，在充液結(jié)束后壓制相同壓制力的壓制耗時以及加壓期間液壓系統(tǒng)的壓降情況。

從表2中可以看出，下降速度越快，壓制相同壓制力所耗費的時間越長，系統(tǒng)壓降越大。此外，當下降速度相同而空程下降行程不同時，實驗結(jié)果顯示行程越短，氣穴效果改善越明顯。

5 針對充液氣穴的應(yīng)對措施

5.1 減小行程和降低速度

在不影響生產(chǎn)率的前提下，減小動梁空程下降行程和降低下降速度，可有效降低充液氣穴現(xiàn)象發(fā)生的幾率。這是因為在單位時間內(nèi)動梁下降形成的主油缸活塞腔的容積增長率降低，填充這部分容積時油液的絕對壓力值降低幅度減小，有利于避免油液的絕對壓力低于空氣分離壓情況發(fā)生，故可以有效降低氣穴產(chǎn)生。

5.2 增大上油箱氣容積

適當增加上油箱的氣壓及氣容積，可有效改善充液階段氣穴現(xiàn)象。在動梁空程下降的過程中，溫度的變化非常小，可以視為不變，根據(jù)波義爾-馬略特定律，氣體在溫度不變的情況下，一定量氣體的壓力和它的體積的乘積為恒量，亦即

式中：

P1—動梁在空程起始位置（待機位）時的上油箱氣壓；

V1—動梁在起始位置（待機位）時的上油箱氣容積；

P2—動梁空程下降過程中任意時刻的上油箱氣壓；

V2—動梁空程下降過程中任意時刻的氣容積，且由式（1）可推導出如下關(guān)系：

式中：

A—主油缸活塞面積，在動梁運動過程中定值；

H—動梁空程下降過程中任意時刻的行程，亦即動梁從空程起始位置到該時刻的距離。

由上述兩式可推導出，

從式（3）知，當增加氣容積V1后而初始氣壓P1不變的情況下，可以增大動梁下降過程中任意時刻P2的絕對值，相應(yīng)地，過程管道中的油液絕對壓力值降幅也減小，有利于避免充液氣穴。

此外，還可以提高充氣壓力，由式（3）知，當增大空氣壓力P1時，即使氣容積沒有擴大，相應(yīng)的P2也升高，也有利于避免充液氣穴的產(chǎn)生。但增加充氣壓力會導致上油箱的聯(lián)接螺釘受到更高幅值的交變載荷，容易使螺釘失效。故在增加充氣壓力的同時，必須在螺釘連接設(shè)計上有所補強。

5.3 充液過程管道優(yōu)化

在不影響主機力學性能的前提下，增大充液管道及減少充液管道的形狀突變，也可以有效降低充液氣穴現(xiàn)象。采用直管比采用彎管的沿程壓降以及局部壓降小，故直管充液時，油液的絕對壓力更容易高于空氣分離壓，避免氣穴。

此外，根據(jù)流量與壓力關(guān)系

式中：

qv—管道內(nèi)的流量；

Cq—流量系數(shù)；

△p—壓差；

d—過流直徑；

ρ—油液密度。

由式（4）可知，管內(nèi)流量與過流管徑成平方反比關(guān)系。故油液在細管中的流速高于粗管中的流速，且在習慣中油液摩擦損失增加，壓降增高。導致油液在習慣中的絕對壓力下降，更容易低于空氣分離壓。

故在主機受力允許的前提下，增大充液的過程管道，可以有效降低充液氣穴現(xiàn)象的發(fā)生，從而避免氣蝕。

6 結(jié)論

（1）降低動梁空程下降速度，減小空程下降行程，可有效降低充液氣穴現(xiàn)象。

（2）增大上油箱氣容積及增加上油箱氣壓可有效降低充液氣穴現(xiàn)象，但增加氣壓壓強時須考慮上油箱聯(lián)接螺釘?shù)慕蛔冚d荷情況，并作相應(yīng)補強。

（3）在不影響主機架受力情況的前提下，充液管道盡量使用直通道及盡量擴大充液通道。